110kV输电线路零序电流保护设计

摘要我国110kV及以上的电力系统均为大电流接地系统，单相接地短路将产生很大的故障相电流和零序电流。

三相式保护虽然对接地短路有保护作用。

但该保护的动作电流必须大于最大负荷电流。

因而灵敏度往往不够。

所以必须采用零序电流保护装置作为接地保护是必要的。

零序电流保护分为四段式，分别为主保护I段，II段。

后备保护III段，IV段。

在本设计当中，计算部分首先确定系统的最大最小运行方式，再通过零序电流保护的各段的整定原则计算出保护1、2、3的无时限零序电流保护的动作电流和动作时限整定值，算出各自的最小保护范围以完成灵敏度的校验。

之后计算出保护2，3的带时限零序电流保护的动作电流值，然后通过最小运行方式校验带时限电流保护的灵敏度。

最后对保护1的进行零序三段的整定计算。

图形部分画出零序电流保护的原理图以及展开图。

并介绍了方向性零序保护的原理图。

系统控制部分设计了对零序电流保护的控制。

并分析了动作过程。

关键词：零序电流；单相接地；灵敏度；原理图目录第1章绪论 (2)第2章输电线路零序电流保护整定计算 (4)2.1 零序电流Ι段整定计算 (4)2.1.1 零序电流Ι段动作电流的整定 (5)2.1.2 灵敏度校验 (10)2.1.3 动作时间的整定 (13)2.2 零序电流Ⅱ段整定计算 (13)2.3零序电流Ⅲ段整定计算 (14)第3章零序保护原理图的绘制与动作过程分析 (15)第4章 MATLAB建模仿真分析 (19)第5章课程设计总结 (22)参考文献 (23)第1章绪论1.1 零序电流保护的概况本文是针对110kV输电线路采用零序电流保护的方法进行的继电保护设计。

在正常负荷下，零序电流没有或者很小；当发生接地故障时，就一定有零序电流产生。

据统计，接地短路故障约占总故障次数的93%。

所以，采用零序电流保护装置作为接地短路保护是必要的。

零序电流保护装置简单，动作电流电流小，经济可靠，灵敏度高，正确动作率高。

因此零序电流保护在中性点直接接地的高压，超高压输变电系统中的到了广泛的应用。

零序电流I段保护的动作原则是：（1）躲过本线路末端接地短路时的最大三倍零序电流。

(2)躲断路器三相触头不同时合闸而出现的最大零序电流。

整定值应选取较大的一个。

灵敏I段是按条件（1）或（2）整定。

零序电流II段保护的动作原则是：与相邻线路零序电流I段配合。

灵敏性校验的原则是按本线路末端发生接地故障时最小零序电流校验。

要求灵敏度大于等于1.5。

若不满足要求，改与相邻线Ⅱ段配合。

零序电流III段保护的动作原则是：躲下级线路出口三相短路时流过保护装置的最大不平衡电流。

灵敏性校验遵循的原则是：近后备按被保护线路末端短路时，流过保护的最小三倍零序电流校验。

远后备按相邻线路末端短路时，流过保护的最小三倍零序电流校验。

动作时间按阶梯时限原则来选择应用零序电流保护的优点是零序过电流保护的灵敏度高，受系统运行方式的影响要小，不受系统振荡和过负荷的影响，方向性零序电流保护没有电压死区，简单、可靠。

零序电流的分布与变压器中性点接地的多少和位置有关；大小与线路及中性点接地变压器的零序阻抗有关。

在同一线路上的零序过电流保护与相间短路的过电流保护相比，将具有较小的时限，这是零序过电流保护的一大优点。

零序电流保护的缺点是对短线路或运行方式变化很大时，保护往往不能满足要求，单相重合闸的过程中可能误动，当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的电网时，将使保护的整定配合复杂化，且将增大第III段保护的动作时间。

1.2 本文主要内容1.计算B母线、C母线、D母线处正序（负序）及零序综合阻抗Z1∑、Z0∑。

2．计算B母线、C母线、D母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流。

3．整定保护1、2、3零序电流I段的定值，并计算各自的最小保护范围。

4．当 B母线上负荷变压器始终保持两台中性点都接地运行时，整定保护1、2零序Ⅱ定值，并校验灵敏度。

5．整定保护1零序Ⅲ段定值，假定母线D零序过电流保护动作时限为0.5s，确定保护1、2、3零序过电流保护的动作时限，校验保护1零序Ⅲ段的灵敏度。

6．绘制零序三段式电流保护的原理接线图。

并分析动作过程。

第2章 输电线路零序电流保护整定计算2.1 零序电流Ι段整定计算系统接线图如图：图2.1 系统接线图一、计算各母线处正序（负序）和零序综合阻抗∑1Z ， （1）当1G 、1T 、2G 、2T 、3T 、4T 均投入运行时：图2.2 等值正序（负序）网络图图2.3 等值零序网络图Z T4=60Z T3=60Z T2=10ΩZ G2=18Z T1=103 2 1 Z G1=18Z 1.CD =40Ω Z 0.CD=80ΩZ 1.BC =20Ω Z 0.BC =40Z 0.AB =40ΩAZ 1.AB =20 DC B ∑0Z ZG 1ZG 2ZT 1ZT 2ZAB1ZBC1ZCD1AB C DZT 1ZT 2ZAB0ZBC0ZCD0ZT 30ZT 40ABCDB 母线：C 母线:D 母线：（2）当1G 、1T 、2G 、2T 、3T 投入运行时:图2.4 等值正序（负序）网络图图2.5 等值零序网络图B 母线：()()4030.0210//////T T AB T T B Z Z Z Z Z Z +=∑Ω=+=18)60//60//()4010//10(Ω=Ω+Ω=+=∑∑584018000BC B C Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑542034111BC B C Z Z Z Ω=+++=3420)1018//()1018(()()AB T G T G B Z Z Z Z Z Z 122111//+++=∑Ω=Ω+Ω=+=∑∑944054111CD C D Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑1388058000CD C D Z Z Z ZG 1ZG 2ZT 1ZT 2ZAB1ZBC1ZCD1A B C DDZT 1ZT 2ZT 3ZAB0ZBC0ZCD0A BC()Ω=+=+=∑71.2560//)4010//10(////30210T AB T T B Z Z Z Z Z ()()Ω=+++=+++=∑3420)1018//()1018(//122111AB T G T G B Z Z Z Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑542034111BC B C Z Z ZC 母线：D 母线：（3）当1G 、1T 、3T 、4T 投入运行时图2.6 等值正序（负序）网络图图2.7 等值零序网络图B 母线：C 母线：D 母线：Ω=Ω+Ω=+=∑∑71.654071.25000BC B C Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑944054111CD C D Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑71.1458071.65000CD C D Z Z Z ABCDZG 1ZT 1ZAB1ZBC1ZCD1ZT 3ZT 4ZT 1ZAB0ZBC0ZCD0ABCD()()Ω=+=+=∑75.18)60//60//()4010(////4030010T T AB T B Z Z Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑75.584075.18000BC B C Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑1084068111CD C D Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑682048111BC B C Z Z Z Ω=Ω+Ω+Ω=++=∑482010181111AB T G B Z Z Z Z（4）当1G 、1T 、3T 投入运行时图2.8 等值正序（负序）网络图图2.9 等值零序网络图B 母线：C 母线：D 母线：二、计算B 、C 、D 母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流 （1）当1G 、1T 、2G 、2T 、3T 、4T 均投入运行时Ω=Ω+Ω=+=∑∑75.1388075.58000CD C DZ Z Z ZT 1ZAB0ZBC0ZCD0AB CDZ T 3ABCD()Ω=+=+=∑27.2760//)4010(//3010T AB T B Z Z Z Z Ω=Ω+Ω+Ω=++=∑482010181111AB T G B Z Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑682048111BC B C Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑27.674027.27000BC B C Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑1084068111CD C D Z Z Z Ω=Ω+Ω=+=∑∑27.1478027.67000CD C D Z Z ZB 母线：C 母线：D 母线：（2）当1G 、1T 、2G 、2T 、3T 投入运行时 B 母线：C 母线：D 母线：（3）当1G 、1T 、3T 、4T 投入运行时 B 母线：kA Z Z E I B B s KB949.0182343/115201)1.1(0=⨯+=+=∑∑kAZ Z E I B B s KB 772.0183423/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kAZ Z E I C C s KC 391.0582543/115201)1.1(0=⨯+=+=∑∑kAZ Z E I C C s KC 400.0585423/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kAZ Z E I D D s KD 179.01382943/115201)1.1(0=⨯+=+=∑∑kAZ Z E I D D s KD 204.01389423/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kA Z Z E I B B s KB777.071.252343/115201)1.1(0=⨯+=+=∑∑kAZ Z E I B B s KB 709.071.253423/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kAZ Z E I C C s KC 358.071.652543/115201)1.1(0=⨯+=+=∑∑kAZ Z E I C C s KC 382.071.655423/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kAZ Z E I D D s KD 172.071.1452943/115201)1.1(0=⨯+=+=∑∑kA Z Z E I D D s KD199.071.1459423/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kAZ Z E I B B s KB 777.075.182483/115201)1.1(0=⨯+=+=∑∑本科生课程设计（论文）C 母线：D 母线：（4）当1G 、1T 、3T 投入运行时B 母线：C 母线：D母线：kAZ Z E I B B s KB 579.075.184823/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kAZ Z E I C C s KC358.075.582683/115201)1.1(0⨯+=+=∑∑kAZ Z E I C C s KC 341.075.586823/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kAZ Z E I D D s KD 172.075.13821083/115201)1.1(0=⨯+=+=∑∑kAZ Z E I D D s KD 187.075.13810823/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kAZ Z E I B B s KB 648.027.272483/115201)1.1(0=⨯+=+=∑∑kAZ Z E I B B s KB 539.027.274823/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kAZ Z E I C C s KC 329.027.672683/115201)1.1(0=⨯+=+=∑∑kAZ Z E I C C s KC 327.027.676823/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kA Z Z E I DD s KD 183.027.14710823/115201)1(0=+⨯=+=∑∑kA Z Z E I D D s KD 165.027.14721083/115201)1.1(0=⨯+=+=∑∑2.1.1 零序电流Ι段动作电流的整定一、保护1零序电流I 段（1） 1G 、1T 、2G 、2T 、3T 、4T 运行因为 所以取两相接地短路（2） 1G 、1T 、2G 、2T 、3T 运行因为 所以取两相接地短路所以最大运行方式为：1G 、1T 、2G 、2T 、3T 运行保护1的I 段动作电流为： 二、保护2零序电流I 段（1） 1G 、1T 、2G 、2T 、3T 、4T 运行因为 所以取单相接地短路 （2） 1G 、1T 、2G 、2T 、3T 运行因为 取单相接地短路 所以最大运行方式为：1G 、1T 、2G 、2T 、3T 、4T 运行保护2的I 段动作电流为：KA I K I C rel op 44.1400.032.1302.0=⨯⨯=⋅=II三、保护3零序电流I 段（1） 1G 、1T 、2G 、2T 、3T 、4T 运行因为)1(0)1.1(0KD KD I I < 取单相接地短路 kA I I KD D 204.0)1(00== （2） 1G 、1T 、2G 、2T 、3T 运行因为 )1(0)1.1(0KD KD I I < 取单相接地短路 kA I I KD D 199.0)1(00== )1(0)1.1(0KBKB I I >kAZ Z Z Z Z Z Z I I T T AB T T T T KB B 379.060604010106060949.04302143)1.1(00=++⨯=++⋅=)1(0)1.1(0KBKB I I >kA Z Z Z Z Z I I T AB T T T KBB 5422.06040101060949.030213)1.1(00=++⨯=++⋅=kAI K I B rel op 952.15422.032.1301.0=⨯⨯=⋅=II )1(0)1.1(0KCKC I I <kA I I KC C 400.0)1(00==)1(0)1.1(0KDKD I I <kA I I KD D 199.0)1(00==所以最大运行方式为：1G 、1T 、2G 、2T 、3T 、4T 运行保护3的I 段动作电流为：kA I K I D rel op 734.0204.032.1303.0=⨯⨯=⋅=II 2.1.2 灵敏度校验一、保护1的最小保护范围计算 设ABAK Z Z k 11=（101<<k ）， 则,4040,40,20101011111k Z k Z k Z B K AK AK -===(1)1G 、1T 、3T 、4T 运行8/)4070)(41()()(2028114300101111111111k k Z Z Z Z Z Z k Z Z Z Z T T B K AK T K AK T G K -+=++=+=++=∑∑ )1(0)1.1(00111KB KB K K I I Z Z >∴>∑∑ 取单相接地短路8/)4070)(41()2028(23/115211101)1(011k k k Z Z E I K K s KB -+++⨯=+=∑∑KA I I k k k Z Z Z Z Z Z Z II OP K T T AB T T T B K KBk 5084.1375.6870203/1158471.001114301430)1(00111==++-⋅-=+++⋅=I得，%15%7.331>=k 满足灵敏度要求(2)1G 、1T 、3T 运行11/)40100)(41()()(202811300101111111111k k Z Z Z Z Z k Z Z Z Z T B K AK T K AK T G K -+=++=+=++=∑∑ )1(0)1.1(00111KB KB K K I I Z Z >∴>∑∑ 取单相接地短路11/)40100)(41()2028(23/115211101)1(011k k k Z Z E I K K s KB -+++⨯=+=∑∑KA I I k k k k Z Z Z Z Z I I op K T AB T T B K KB K 5084.1311/)40100)(41()2028(23/115114101.00111130130)1(00111==-+++⨯⋅-=+++⋅=I得，%15%33.401>=k 满足灵敏度要求∴ 根据①、②，最小运行方式为：1G 、1T 、3T 、4T 运行 保护1的I 段最小可以保护线路AB 全长的33.6%二、保护2的最小保护范围计算设BCBK Z Z k 22=（102<<k ）， 则202140,2022k Z k Z BK BK ==（1）1G 、1T 、3T 、4T 运行20430102111110475.18)()(20482222k Z Z Z Z Z Z k Z Z Z Z Z BK T T AB T K BK AB T G K +=++=+=+++=∑∑ )1(0)1.1(00122KC KC K K I I Z Z >∴>∑∑ 取单相接地短路2201)1(004075.18)2048(23/1152222k k Z Z E I I K K s KC K +++⨯=+==∑∑KA I I op K 422.132.002==I得，%15%64.262>=k 满足灵敏度要求 （2）1G 、1T 、3T 运行203010211114027.27)(20482222k Z Z Z Z Z k Z Z Z Z BK T AB T K AK T G K +=++=+=++=∑∑)1(0)1.1(00122KC KC K K I I Z Z >∴>∑∑ 取单相接地短路2201)1(004027.27)2048(23/1152222K K Z Z E I I K K s KC K +++⨯=+==∑∑kA I I op K 418.132.002==I得，%15%161>=k 满足灵敏度要求 ∴ 根据①、②，最小运行方式为：1G 、1T 、3T 运行 保护2的I 段最小可以保护线路BC 全长的16% 三、保护3的最小保护范围计算设CDCK Z Z k 33=（103<<k ）， 则303180,4033k Z k Z CK CK ==（1）1G 、1T 、3T 、4T 运行3004301031111110875.58)()(40683333k Z Z Z Z Z Z Z k Z Z Z Z Z Z CK BC T T AB T K CK BC AB T G K +=+++=+=++++=∑∑若3301k K Z Z ∑∑> ,则)1(0)1.1(0KD KD I I >取单相接地短路3301)1(008075.58)4068(23/1152333k k Z Z E I I K K s KD K +++⨯=+==∑∑kA I I op K 726.033.003==I得，%15%94.463>=k 满足灵敏度要求 此时，Ω=Ω=∑∑326.96,788.883301K K Z Z ，与3301K K Z Z ∑∑>矛盾所以，3301K K Z Z ∑∑<，)1(0)1.1(0KD KD I I <，取两相接地短路)8075.58(240683/11523301)1.1(00333k k Z Z E I I K K s KD K +⨯++=+==∑∑kA I I op K 726.033.003==I得，%15%18.433>=k 满足灵敏度要求 （2）1G 、1T 、3T 运行300301031111118027.67)(40683333k Z Z Z Z Z Z k Z Z Z Z Z Z CK BC T AB T K CK BC AB T G K +=+++=+=++++=∑∑若3301k K Z Z ∑∑> ,则)1(0)1.1(0KD KD I I >取单相接地短路3301)1(008027.67)4068(23/1152333k k Z Z E I I K K s KD K +++⨯=+==∑∑kA I I op K 724.033.003==I得，%15%62.413>=k 满足灵敏度要求 此时，Ω=Ω=∑∑59.100,66.863301K K Z Z ，与3301K K Z Z ∑∑>矛盾所以，3301K K Z Z ∑∑<，)1(0)1.1(0KD KD I I <，取两相接地短路)8027.67(240683/11523301)1.1(00333k k Z Z E I I K K s KD K +⨯++=+==∑∑kA I I op K 724.033.003==I得，%15%66.343>=k 满足灵敏度要求 ∴ 根据（1）、（2），最小运行方式为：1G 、1T 、3T 运行 保护3的I 段最小可以保护线路CD 全长的34.65%2.1.3 动作时间的整定断路器1QF 处无时限电流速断保护的动作时间为：s t Iop 01= 断路器2QF 处无时限电流速断保护的动作时间为：s t I op 02=电路器3QF 处无时限电流速断保护的动作时间为：s t I op 03=2.2 零序电流Ⅱ段整定计算保护1的Ⅱ段与保护2的I 段配合1min I 2.0II 1.0/b op II rel op k I K I ⋅=，保护1的分支系数5.23075001min ===AB BC b I I k KA I op 626.05.2/422.11.1II1.0=⨯= 灵敏度校验：最小运行方式为1G 、1T 、3T 、4T 运行流过保护1的最小零序电流 KA Z Z Z Z Z Z I I T T AB T T T KB 2096.0430143)1(0min 0=++⋅=3.1005.1626.02096.0331.0min 01<=⨯==II op IIsen I I K 不满足灵敏度要求所以，保护1的Ⅱ段与保护2的Ⅱ段配合1min II2.0II 1.0/b op II rel op k I K I ⋅=，保护2的分支系数12min =b k KA k I K I b op II rel op 80.01/7272.01.1/2min I3.0II 2.0=⨯=⋅=KA I op 352.05.2/80.01.1II1.0=⨯= 3.179.1352.02096.0331.0min 01>=⨯==IIop IIsen I I K 满足灵敏度要求 所以，保护1的Ⅱ段动作电流：KA I op 352.0II1.0= 保护1的Ⅱ段动作时间与保护2的Ⅱ段动作时间配合：s t t t t t t Iop II op II op 0.15.05.00321=++=∆+∆+=∆+=2.3零序电流Ⅲ段整定计算保护1的Ⅲ段与保护2的Ⅱ段配合KA k I K I b op III rel op 352.05.2/80.01.1/1min II 2.0III 1.0=⨯=⋅= 灵敏度校验：最小运行方式为1G 、1T 、3T 、4T 运行作为近后备：3.179.1352.02096.0331.0min 01>=⨯==IIIop B III sen I I K 满足灵敏度要求 作为远后备：2.173.2352.0320.0331.0min 01>=⨯==IIIop C IIIsen I I K 满足灵敏度要求 已知母线D 零序过电流保护动作时限为0.5s所以保护1的Ⅲ段零序电流保护的动作时间与保护2的Ⅱ段动作时间配合：s t t t t t t IIop II op III op 5.15.05.05.0321=++=∆+∆+=∆+=第3章 方向性零序电流保护3.1 方向性零序保护的特点及原理图变压器的零序方向过电流保护是为防止电力变压器出现单项短路或负载严重不平衡而安装的保护电路，在变压器出现单项短路或负载严重不平衡切断高压输出柜，使变压器断电，达到保护变压器和线路安全的目的。